问题

光从空气向水中入射后减速,出射返回空气过程中是如何恢复原有速度的?

回答
这个问题其实涉及到光的波动性和能量守恒,不是简单地“恢复”一个失去的速度。让我们来仔细说道说道。

你想想看,光就像水波一样,当它从一种介质(比如空气)进入另一种介质(比如水)时,它的前进方式会发生改变。空气和水是很不一样的。空气很稀薄,分子之间的距离大,光在这个里面走的很“自在”,你可以想象成它在一条宽敞的大路上开车,速度自然就快。

但是,到了水里,情况就不同了。水里的分子密集多了,就像你开进了一个人来人往的菜市场。光在这个密集的介质里前进,会频繁地和水分子发生相互作用。这种相互作用可不是说光撞到了分子然后就停下了,而是说光中的电磁波在遇到水分子时,会激发分子的电子,让它们也振荡起来。而这些振荡的电子又会向外辐射出新的电磁波。

你可以把这想象成,当光波向前推进时,它每遇到一个水分子,就像是把这个分子“敲”了一下,这个分子被“敲”了之后,又会发出自己的“声音”(电磁波)。新发出的这些电磁波,会和原来的光波叠加在一起,最终形成了一个看起来像是“整体前进”的效果。

关键就在于,这个“敲”和“被敲”的过程,需要一点时间。光要激发电子,电子要振荡,然后又要发出新的电磁波,这个过程就好像在跑步时,每跑一段路就要做个“暂停”再“出发”。虽然每一次暂停的时间非常非常短,短到我们几乎感觉不到,但因为水里分子太多了,这些微小的“暂停”累积起来,就导致了光在水里的整体前进速度比在空气中慢。

所以,光在水里减速,并不是因为它“丢失”了速度,而是因为它的前进方式变得复杂了,需要经过一个“与介质相互作用并重新辐射”的过程。这个过程的“延迟”效应,我们观察到的结果就是速度减慢。

那么,当光从水里出来,回到空气中时,发生了什么呢?

回到空气,光又进入了一个非常稀疏的介质。就像你跑完了拥挤的菜市场,重新回到了那条宽敞的大马路上。在那里,光遇到的阻碍大大减少,与介质分子的相互作用也变得非常少,几乎可以忽略不计。

这时候,光中的电磁波又是以它固有的频率(也就是颜色)在传播。这个频率是光的本质属性,并不会因为介质的改变而改变。就好比你吹一支笛子,无论是在房间里还是在旷野,笛子的音高(频率)是不会变的。

而光的速度(v)、频率(f)和波长(λ)之间有一个基本关系:v = fλ。

当光从水进入空气时,因为介质变了,折射率也变了。我们知道,光在真空中的速度记为c,而在介质中的速度v,与介质的折射率n的关系是 v = c/n。空气的折射率非常接近1(约1.0003),而水的折射率比空气大很多(约1.33)。

所以,当光从水(n≈1.33)进入空气(n≈1)时,折射率n变小了。根据 v = c/n,如果n变小了,那么v(光的传播速度)自然就变大了。

关键在于,在光从水向外辐射出新的电磁波时,它的频率(f)是恒定不变的,就像我们之前说的笛子音高一样。这个频率是光源决定的,是光的“身份证”。

既然频率f不变,而速度v又从水中的值(c/n_水)变回了空气中的值(c/n_空气),那么根据 v = fλ,波长λ就必须跟着改变。

在水中,光的波长会变短(λ_水 = v_水 / f = (c/n_水) / f)。
当回到空气中,因为速度v恢复了(v_空气 = c/n_空气),而频率f没变,所以波长λ就自然恢复到了它在空气中的长度(λ_空气 = v_空气 / f = (c/n_空气) / f)。

所以,与其说是“恢复原有速度”,不如说是:

1. 光在不同介质中的传播速度是由介质的性质决定的。 介质越密集,光与其中分子的相互作用越频繁,表现出来的就是速度减慢。
2. 光的频率是其固有属性,不会随介质改变。
3. 当光从密度大的介质(水)回到密度小的介质(空气)时,它受到的阻碍减少,但它传递的是一个频率不变的电磁波。 遵循 v = fλ 这个关系,既然频率不变,而速度v又会根据介质的折射率变化,那么波长λ也就相应地变化了。

所以,光在空气中和水中速度不同,是因为它在水中与水分子发生了复杂的相互作用,这个作用表现为“有效速度”的降低。当回到空气中,这种相互作用大大减弱,光的传播回归到它在稀疏介质中应有的速度,而它携带的“频率”这个根本属性是一直保持不变的。

你可以理解为,光在水里就像是“踩着刹车”前行,虽然刹车很微弱,但有很多很多次。回到空气里,刹车就松开了,它又可以“自由自在”地跑了。这个“自由自在”的速度,是它在那个介质里应有的速度,并不代表它在水中“丢失”的速度又神奇地回来了,而是它在不同环境中“表现”出来的速度不同。

这和我们人跑步一样。在跑道上(空气),你可能跑得很快。如果突然跑到沙滩(水)上,步伐肯定会变得沉重,速度也慢了。但如果你跑完了沙滩,又回到了跑道,你的腿并没有“损坏”或“丢失”跑步的能力,你只是又回到了一个能让你跑得更快的环境。

所以,这是一种环境适应,而不是速度的“找回”。光本身携带的“能量”并没有在水里“消耗”掉(除了微小的吸收),而是转化成了与水分子相互作用的过程,最终在回到空气中后,以其本来的频率,在新的介质中以新的速度(也就是它在这个介质中应有的速度)继续传播。

网友意见

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因为光的速度是空间传播速度决定的。光本身就是被空间带着向前跑。

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